工业废渣替代砂浆细集料的可行性研究

董双快，吴福飞，王 红，刘春梅

(1.贵州师范大学 教务处，贵州 贵阳 550025；2. 贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

锂渣、粉煤灰和钢渣是目前常见的矿物掺和料，由于具有潜在活性被普遍应用于混凝土中，但是其活性有限，替代水泥的量分别不超过30%、30%和20%[1-3]，这个使用量较小，远赶不上工业的排放量，故对环境保护和节能减排的贡献相对较小。因此，工业废弃物的大量利用技术亟待解决。

目前，采用工业废渣作为集料的研究已成为研究热点[4]，尤其以国外学者的研究较多，国内学者主要集中再生混凝土骨料[5-6]方面。Singh[7]和Nabajyoti[8]发现底灰替代细集料后，混凝土的需水量和抗压强度均高于未掺底灰的混凝土，即使混凝土在0.25 mol/L Na2CO3溶液中侵蚀后仍具有较好的强度，但耐水性相对较差，Vegas[9]也进一步证实了底灰能提高胶凝材料的力学性能。Gencel[10-11]发现铬铁粉和废弃大理石粉替代细集料后能提高混凝土的耐水性能、力学性能和耐久性。Topcu[12]发现60%以内的废弃瓷砖粉等质量替代细集料后，胶凝材料的早期抗裂、干缩、以及力学性能均优于对照组。Turhan[13]发现60%～70%粉煤灰替代集料时，水泥粉煤灰混合砂浆的干缩和力学性能与对照组基本相当，Gritsada[14]也证实了高替代率粉煤灰能增强自密实混凝土的抗压强度和抗折强度，但Hunag[15]发现10%的粉煤灰替代细集料后，轻集料混凝土56 d的力学性能呈降低的趋势。Ali Behnood[16]发现铜渣替代细集料后，砖的性能优于石粉和再生混凝土做细集料后混凝土的性能；Madany[17-18]和Al-Sayed[19]发现随着铜渣替代率的增加，胶凝材料的抗压强度呈现出先增加后减小的趋势。综上述，大部分废弃物替代细集料后，其替代率可达70%，部分替代率高达100%时，其力学性能和耐久性能均优于纯水泥砂浆或混凝土，部分混凝土质轻，流动性低。

因此，采用工业废弃物替代细集料后，实现废弃物变废为宝和节约资源的目的，同时达到改善胶凝材料的力学性能与耐久性。对于锂渣、钢渣作为细集料的研究未见报道，有待进一步研究。基于此，本文以磨细的锂渣微粉、粉煤灰微粉和钢渣微粉为研究对象，探索锂渣、粉煤灰和钢渣替代率对砂浆力学性能、渗透性能和水化特性的影响，并分析3种矿物掺和料对砂浆力学性能、渗透性能和水化特性影响的差异性，以期为锂渣、粉煤灰和钢渣在混凝土行业中的大掺量使用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料

水泥(Cement，C)采用42.5级(P.O)普通硅酸盐水泥；钢渣微粉(Steel slag，S)为新疆八钢的磨细钢渣；粉煤灰微粉(Fly ash，F)为新疆火电厂排放的II级粉煤灰颗粒；锂渣微粉(Lithium slag，L)为新疆锂盐厂的烘干锂渣颗粒；砂为标准砂；养护用水和拌合用水均为实验室的自来水。3种矿物掺合料(粉煤灰、锂渣和钢渣)和水泥的比表面积分别为430 m2/kg、400 m2/kg、450 m2/kg和360 m2/kg，3种矿物掺合料的需水比分别为98%，108%和104%，化学成份如表1所示。

表1 4种材料的化学成分(%)Tab.1 Chemical composition of 4 type materials(%)

1.2 方法

砂浆的原材料设计为水泥∶水∶标准砂=450∶225∶1 350(m∶m∶m)，然后采用锂渣、粉煤灰和钢渣等质量替代标准砂(替代率分别0%、30%、50%、70%和100%)，并根据(GB/T17671-1999)《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》成型砂浆(纯水泥砂浆、水泥锂渣混合砂浆、水泥钢渣混合砂浆、水泥粉煤灰混合砂浆)试件，在标准养护室养护7 d和28 d测试砂浆的抗压强度、抗折强度和应力-应变。水化产物采用德国布鲁克AXS有限公司SMART APEX II型X射线单晶衍射仪进行。砂浆的微观形貌通过日本EVO 18型扫描电镜观测砂浆的微观形貌。

2 结果与分析

2.1 抗折强度

锂渣、粉煤灰以及钢渣的替代率和养护龄期对砂浆抗折强度的影响如图1所示。从图1可以看出，随掺合料替代率的增加，砂浆的抗折强度呈线性变化，相关系数均在0.87以上。锂渣的替代率在70%以上时，7 d的抗折强度低于纯水泥砂浆(5.72 MPa)，但水泥钢渣砂浆和水泥粉煤灰砂浆7 d的抗折强度均优于对照组。随着养护龄期的延长，矿物掺合料不断参与水化、密实砂浆的孔结构[2-3]，因此，28 d时，水泥锂渣砂浆、水泥粉煤灰砂浆和水泥钢渣砂浆的抗折强度均优于对照组(7.16 MPa)。砂浆28 d的抗折强度在锂渣、粉煤灰和钢渣在替代率分别为30%、30%和100%时达到最高，分别为11.11 MPa、7.81 MPa和9.31 MPa，约比纯水泥砂浆高94.24%、34.19%和59.97%，因此，锂渣砂浆>钢渣砂浆>粉煤灰砂浆。这主要是锂渣中含有6.28%的SO3，促使针状AFt的生成达到提高3种含掺合料的砂浆抗折强度；另外，钢渣含有23.11% Fe2O3，其量明显高于锂渣和粉煤灰，其抗折强度也高于水泥锂渣砂浆和水泥粉煤灰砂浆，这进一步说明Fe2O3能提高了砂浆的抗折强度[20]，掺量越大其效果越显著。

图1 3种砂浆的抗折强度Fig.1 Flexural strength of mortar

2.2 抗压强度

图2为锂渣、钢渣和粉煤灰等质量替代率和养护龄期对砂浆抗压强度的影响曲线。从图2可以看出，水泥锂渣砂浆7 d和28 d的抗压强度随着锂渣替代率的增加呈线性降低的趋势，水泥钢渣砂浆7 d和28 d的抗压强度随着钢渣替代率的增加呈先增大后降低的趋势；水泥粉煤灰砂浆7 d的抗压强度随着粉煤灰替代率的增加呈先增大后降低的趋势，但28 d时呈降低的趋势。锂渣的替代率为100%时，7 d的抗压强度比纯水泥砂浆(32.4 MPa)低33.02%，其余替代率和养护龄期为28 d时，水泥锂渣砂浆的抗压强度均优于对照组。在各替代率下，水泥粉煤灰砂浆和水泥钢渣砂浆7 d和28 d的抗压强度均优于对照组。锂渣、粉煤灰和钢渣在替代率分别为30%、30%和70%时，砂浆28 d的抗压强度达到最高，分别为82.7 MPa、61.7 MPa和63.8 MPa，约比纯水泥砂浆(45.3 MPa)高82.56%、36.20%和40.84%，但钢渣替代率在70%和100%时，砂浆的抗压强度仅相差较小(2.7 MPa)，因此，从废弃物综合利用和保护环境角度考虑，钢渣的替代率可为100%。

图2 砂浆的抗压强度Fig.2 Compressive strength of mortar

2.3 应力-应变

根据4种砂浆单轴压缩试验的结果，绘制出不同替代率下砂浆28 d的应力-应变半曲线关系和峰值应力如图3～图4所示。各替代率下，水泥砂浆、水泥锂渣砂浆、水泥粉煤灰砂浆和水泥钢渣砂浆的应力-应变半曲线的变化极为相似。随着矿物掺合料替代率从0%增至100%时，锂渣砂浆的峰值应力约为纯水泥砂浆峰值应力的1.39、1.73、1.23和1.21倍，其位移比纯水泥砂浆最大达0.4 mm。30%和50%粉煤灰砂浆的峰值应力约为纯水泥砂浆的1.27和1.14倍，替代率为70%～100%时，其峰值应力约为纯水泥砂浆的85.76%和75.57%，位移相差仅为0.1 mm。钢渣砂浆的峰值应力约为纯水泥砂浆的1.18、1.15、1.35和1.31倍，其位移均高于纯水泥砂浆。综合上述的研究发现，适量矿物掺合料替代标准砂，既能改善砂浆的韧性，也能提高砂浆的峰值应力。水泥粉煤灰砂浆的抗折强度与抗压强度的变化规律相似，在粉煤灰替代率为70%～100%时有劣化作用。

图3 砂浆应力-应变半曲线Fig.3 Half curve of mortar stress-strain

图4 峰值应力和外载做功与替代率的关系Fig.4 Relationship of between replacement rate and peak stress or external load work

为了分析3种砂浆外载做功[21]与3种矿物掺合料替代率之间的相关关系，对3种砂浆的外载做功进行无量纲化处理，即对各矿物掺合料替代率下砂浆外载做功与纯水泥砂浆的外载做功之比，计算结果如图4所示。水泥锂渣砂浆和水泥粉煤灰砂浆28 d时的外载做功比值随着矿物掺合料替代率从30%增到100%时呈线性显著降低的趋势(相关系数分别为0.850 9和0.951 0)。在替代率为0～100%时，锂渣砂浆外载做功比值均高于1.0，这也说明了锂渣能提高砂浆的力学性能。在粉煤灰替代率为30%和50%时，水泥粉煤灰砂浆的外载做功比值优于对照组；在替代率为70%和100%时，水泥粉煤灰砂浆的外载做功比值均低于对照组，这与峰值应力呈现出相同的变化规律，进一步说明了粉煤灰在替代率为70%和100%时对砂浆的力学性能有劣化作用。钢渣与锂渣、粉煤灰不同，随钢渣替代率从0%增加至100%，钢渣砂浆的外载做功比值呈现出线性显著增加的趋势(相关系数为0.832 2)，约为纯水泥砂浆的1.37、1.51、1.82和1.74倍。

2.4 水化产物

将30%锂渣、30%粉煤灰和30%钢渣替代标准砂，成型锂渣浆体、粉煤灰浆体、钢渣浆体和纯水泥浆体，并对其进行XRD衍射分析，结果如图5所示。4种浆体的水化产物有所不同，纯水泥浆体以CH、CSH和未水化颗粒为主(Ca1.56·SiO3.5·xH2O和CaO)；锂渣浆体以CSH、Li2O·Al2O3·4SiO2、SiO2、Ca1.56·SiO3.5·xH2O、CaO为主，CH的衍射峰相对较弱，主要是锂渣的活性较高，能参与二次水化反应的结果。粉煤灰浆体以CH、CSH、Ca1.56·SiO3.5·xH2O、CaO为主，粉煤灰的活性相对较低，因此，CH的衍射峰明显可见。钢渣浆体以CH、CSH、CaO和SiO2为主，对比3种掺合料发现，钢渣的活性虽低，但能发生自身水化反应，因此钢渣浆体CH的衍射峰介于锂渣浆体和粉煤灰浆体之间。对比掺合料替代水泥的试验结果发现，锂渣、粉煤灰和钢渣不管是替代水泥还是标准砂，只有少部分颗粒参与二次水化反应形成CSH，绝大部分颗粒仍以填充为主。因此，4种浆体水化产物仍以CH、CSH和未水化颗粒为主，但未水化颗粒的种类和含量、CH和CSH的含量不同。

△Ca(OH)2▽Li2O·Al2O3·4SiO2☆SiO2★Ca1.56·SiO3.5·xH2O◆CaO图5 4种浆体的水化产物 Fig.5 Hydration product of 4kinds pastes

2.5 微观形貌

将纯水泥砂浆试件、30%锂渣、30%粉煤灰和30%钢渣的砂浆试件养护28 d后，取样终止水化，微观形貌测试结果如图6所示。纯水泥样品中，形成了明显的CH和CSH，界面结构一般，孔隙相对较多且有一定量的水化产物填充。锂渣掺入时，有明显相互交织在一起的CSH，少量的CH，孔隙结构相对密实，并有一定量的水化产物。粉煤灰掺入砂浆后，砂浆的微观形貌可明显看见不同粒径的球形粉煤灰颗粒，部分颗粒表面光滑、部分颗粒表面已有一定的水化产物形成，大部分孔隙都被不同粒径的球形粉煤灰颗粒所填充，界面结构相对比较密实。钢渣掺入砂浆后，水化产物CSH相互堆积在一起，没有明显的CH形貌，孔隙相对较多，且无水化产物填充。因此，在替代率为30%时，锂渣砂浆的强度>钢渣砂浆的强度>粉煤灰砂浆的强度>水泥砂浆的强度。

图6 4种砂浆28 d时的微观形貌Fig.6 The microstructure of 4 kinds mortar at 28 d

综合力学性能和水化特性的研究发现，锂渣、粉煤灰和钢渣的替代率分别以30%、30%和100%(文中对应为405 g、405 g和135 0 g)为宜，文献[23-27]的研究发现，锂渣、粉煤灰和钢渣作为掺合料替代水泥时，其替代率分别为30%、20%和20%(文中对应为135 g、90 g和90 g)为宜。因此，锂渣、粉煤灰和钢渣替代标准砂时的用量是替代水泥时的3倍、4.5倍和15倍，可见，采用矿物掺合料作为细集料的使用方法将增大其在混凝土行业中的使用量，从而实现节能减排和节约砂石资源的目的。

3 结论

1)砂浆的抗折强度在替代率分别为30%(锂渣)、30%(粉煤灰)和100%(钢渣)时达到最高，比纯水泥砂浆高94.24%、34.19%和59.97%，其抗压强度在替代率分别为30%、30%和70%时达到最高，比纯水泥砂浆高82.56%、36.20%和40.84%，锂渣、粉煤灰和钢渣掺合料替代细集料时的最佳用量约是替代水泥时的3倍、4.5倍和15倍。

2)3种砂浆的外载做功比值和最大应力除粉煤灰替代率为70%～100%时低于对照组外，锂渣砂浆、30%和50%粉煤灰砂浆、钢渣砂浆的外载做功比值和最大应力均优于对照组。

3)锂渣、粉煤灰和钢渣等质量替代细集料后，仍能参与二次水化反应，其水化产物仍以CH、CSH和未水化颗粒为主，但未水化颗粒的种类和含量、CH和CSH的含量不同。